Kuormitustavan ja symmetrisyyden vaikutus kuormaa kantamattomien hitsausliitosten väsymiseen – tehollisen lovijännityksen ja murtumismekaniikan menetelmien vertailu näkymä

(1)

153 Rakenteiden Mekaniikka

Vol. 50, Nro 3, 2017, s. 153-157

https://rakenteidenmekaniikka.journal.fi/index https://doi.org/10.23998/rm.23998/rm.65049

©Kirjoittaja(t) 2017.

Vapaasti saatavilla CC BY-SA 4.0 lisensioitu.

Kuormitustavan ja symmetrisyyden vaikutus kuormaa kantamattomien hitsausliitosten väsymiseen – tehollisen lovijännityksen ja murtumismekaniikan menetelmien vertailu

Antti Ahola¹, Heli Mettänen ja Timo Björk

Tiivistelmä. Kasvavan taivutusjännitysosuuden (degree of bending, DOB) on ajateltu parantavan merkittävästi väsymiskestävyyttä perinteisessä jännitys-kestoikä (S-N) laskennassa. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin hitsattujen liitosten väsymistä kalvo- ja taivutuskuormituksessa tehollisen lovijännityksen menetelmällä ja lineaarielastisella murtumismekaniikalla. Tutkimuksen tuloksena saatiin selville, että liitoksen symmetrisyydestä määräytyen ulkoisen kuormituksen taivutusjännitys voi aiheuttaa merkittävästi korkeampia lovijännityksiä hitsin rajaviivalle kuin vastaavansuuruinen kalvojännitys.

Avainsanat: väsyminen, hitsatut liitokset, taivutus, liitoksen symmetrisyys Vastaanotettu 22.6.2017. Hyväksytty 16.7.2017. Julkaistu verkossa 21.7.2017.

Johdanto

Useissa perusteoksissa on esitetty, että kasvava DOB parantaa väsymiskestävyyttä mer- kittävästi. Tätä perustellaan jännityksen keskiarvoistuksella pinnan läheisyydessä (ydin- tymisaika) sekä särönkasvun hidastumisella särön kärjen kasvaessa pienemmän jänni- tysgradientin alueelle. Tämä on otettu huomioon osassa hitsattujen liitosten väsymisoh- jeistuksia: BS7608:2014 [1] antaa yhdistetyn taivutus- ja paksuuskorjauskertoimen ktb ja DNV-GL [2] sallii 40 % vähennyksen rakenteellisen jännityksen (hot spot, HS) taivu- tusjännitysosuuteen, kun jännityskonsentraatio on paikallinen ja särön kasvaessa tapah- tuu kuormituksen uudelleenjakautuminen. Eurooppalaista väsymismitoitusta ohjaavissa Eurokoodi 3:ssa tai IIW:n ohjeistuksissa taivutuksen vaikutukseen ei kuitenkaan oteta kantaa [3,4].

1Vastuullinen kirjoittaja. antti.ahola@lut.fi

(2)

154

Kasvavan DOB:n väsymiskestävyyttä parantavaa vaikutusta tukee myös olemassa olevat tutkimustulokset. Aiemmassa tutkimuksessa ulkoisen taivutuskuormituksen osoi- tettiin parantavan väsymiskestävyyttä selvästi verrattuna puhtaaseen kalvokuormituk- seen [5]. Tätä tukee myös Kimin & Yeongin [6], Baikin et al. [7] ja Maddoxin [8] te- kemät tutkimukset. Toisaalta myös päinvastaisia tutkimustuloksia on esitetty [9].

Tarkasteltaessa ulkoisen kalvo- tai taivutuskuormituksen vaikutusta etenkin hitsattujen liitosten väsymiseen on syytä muistaa myös kuormitustyyppien periaatteelliset erot suhteessa tyypillisesti hitsatuissa rakenteissa esiintyviin kulma- ja sovitevirheisiin. Kal- vojännityksessä kulma- tai sovitevirhe aiheuttaa sekundäärisen taivutusjännityskom- ponentin, kun taivutuskuormituksessa samanlaista lisäjännitystä ei synny. Tässä työssä on tarkasteltu erilaisten kuormaa kantamattomien liitosten väsymiskestävyyttä kalvo- ja taivutuskuormituksessa laskennallisesti sekä tehollisen lovijännityksen menetelmän (ENS) että lineaarielastisen murtumismekaniikan (LEFM) avulla.

Elementtimenetelmät

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan kolmea eri kuormaa kantamatonta hitsausliitosta: poi- kittaista ripaliitosta, päällekkäisliitosta ja pitkittäistä ripaliitosta. 2D-liitoksista, Kuva 1a-b, tehdään puolimalli ja 3D-liitoksesta, Kuva 1c, tehdään neljännesosamalli symmet- riareunaehtoja hyödyntäen. Tutkimuksessa varioidaan geometriamittasuhteita, kuten a- mittaa ja liitoslevyn paksuutta.

Kuva 1. Analysoidut liitostyypit: (a) kuormaa kantamaton poikittainen ripa, (b) päällekkäisliitos ja (c) kuormaa kantamaton pitkittäinen ripa.

2D-tasogeometriat analysoidaan käyttämällä tasovenymäelementtejä, ja 3D-liitokset solidielementtimalleilla ja alimallinnustekniikkaa hyödyntämällä, Kuva 2. ENS- malleissa rajaviivan pyöristyssäteenä käytetään ρ = 1 mm, ja LEFM-malleissa alkusärö- kokona ai = 0.05 mm.

(3)

155

Kuva 2. Esimerkki 3D FE-malleista: (a) ENS-malli ja (b) LEFM-malli.

LEFM-malleista määritetään jännitysintesiteettikertoimen vaihtelu (ΔK) ja väsymiskes- toikä lasketaan Parisin särönkasvulailla. ENS-malleissa referenssiväsymislujuutena käy- tetään FAT = 225 MPa pääjännityskriteerin mukaisesti, johon verrataan analyysien perusteella määritettyjä lovijännityksiä.

Tulokset

LEFM:llä ja ENS:llä määritetyt kestoiät muutettiin nimellisiksi väsymislujuuksiksi (FAT) vastaten kahta miljoonaa kuormanvaihtolukua. Kuormitussuhteen (qload) ja liitoksen symmetrisyyden (qgeom) vaikutusta väsymislujuuksiin tarkastellaan suhteuttamalla lasketut väsymislujuudet seuraavasti:

FAT FAT

m load

b

q = (1)

ja

, ,

FAT FAT

asym i geom

sym i

q = . (2)

Yhtälössä (1) alaindeksit m ja b viittaavat kuormitustyyppiin, (m = kalvo ja b = taivutus) ja yhtälössä (2) asym viittaa yksipuoliseen liitokseen (epäsymmetrinen) ja sym molem- minpuoliseen liitokseen (symmetrinen). Kuvassa 3 on esitetty tulokset poikittaiselle ri- valle. Kuvasta voidaan havaita, että laskennallisesti epäsymmetrisen liitoksen väsymis- lujuus oli huomattavasti parempi kalvokuormituksessa kuin symmetrisen liitoksen. Tai- vutuskuormituksessa symmetrisen liitoksen rajaviivalle syntyi vastaavasti pienempi lo- vijännitys ja näin ollen sen väsymislujuus oli parempi. Kalvokuormitus johti epäsym- metrisillä liitoksilla laskennallisesti parempaan väsymislujuuteen ja taivutuskuormitus symmetrisillä liitoksilla parempaan väsymislujuuteen. Muilla tarkastelluilla liitostyy- peillä tulokset olivat yhtenevät.

(4)

156

Kuva 3. Poikittaisen rivan tapaus: (a) symmetrisyyden vaikutus (qgeom) eri kuormitustapauksille ja (b) kuormituksen vaikutus (qload) toispuolisilla ja molemminpuolisilla liitoksilla.

Johtopäätökset

Tehtyjen analyysien perusteella voidaan vetää seuraavat johtopäätökset:

• Taivutuskuormitus voi aiheuttaa merkittävästi korkeampia lovijännityksiä hitsin rajaviivalla kuin vastaava nimellinen kalvokuormitus, varsinkin liitoslevyn ollessa yksipuolinen. Useat koetulokset ovat kuitenkin osoittaneet, että taivutuskuormitus parantaa väsymislujuutta.

• LEFM:ssa lovijännitys määrää särönkasvunopeuden pienellä särökoolla (a <

0.1t), mutta suuremmalla särökoolla kuormitustyyppi vaikuttaa enemmän sä- rönkasvunopeuteen, ts. taivutuksella särönkasvunopeus on pienempi.

Viitteet

[1] BS7608:2014+A1:2015. Guide to fatigue design and assessment of steel prod- ucts. British Standards, 2015

[2] DNVGL-RP-C203. Fatigue design of offshore steel structures. Det Norske Veri- tas - Germanischer Lloyd, 2016.

[3] EN 1993-1-9. Eurocode 3: Design of Steel Structures. Part 1-9: Fatigue. Europe- an Committee for Standardization, 2005.

[4] A. Hobbacher. Recommendations for fatigue design of welded joints and com- ponents, 2nd ed. Springer International Publishing, Cham, 2016

[5] A. Ahola, T. Nykänen & T. Björk. Effect of loading type on the fatigue strength of asymmetric and symmetric transverse non-load carrying attachments. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 40:670–682, 2017.

https://doi.org/10.1111/ffe.12531

[6] I. Kim I & Y. Jeong. Fatigue Strength Improvement of Welded Joints by Blast Cleaning for Subsequent Painting. International Journal of Steel Structures, 13:11–20, 2013. https://doi.org/10.1007/s13296-013-1002-0

(5)

157

[7] B. Baik, K. Yamada & T. Ishikawa. Fatigue crack propagation analysis for welded joint subjected to bending. International Journal of Fatigue, 33:746–

758, 2011. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2010.12.002

[8] S.J. Maddox. Allowance for bending in fatigue design rules for welded joints.

IIW-dokumentti XIII-2580-15, 2015.

[9] M. Ottersböck, M. Leitner & M. Stoschka. Effect of loading type on welded and HFMI-treated T-joints. IIW-dokumentti XIII-2584-15, 2015.

Antti Ahola, Heli Mettänen, Timo Björk Lappeenrannan teknillinen yliopisto

Skinnarilankatu 34, PL20, 53851, Lappeenranta

antti.ahola@lut.fi, heli.mettanen@lut.fi, timo.bjork@lut.fi